/ poly-Si 膜层寄生吸收讨论 /

引子

太阳能电池的光学损失一般包括以下几个方面：

• 前表面反射
• 遮光损失
• 后表面透射
• 膜层寄生吸收

改善光学损失的方法：

• 窄线印刷，减少遮光
• 减反膜，降低反射
• 表面制绒，降低反射
• 陷光技术，增加光程

什么是寄生吸收parasitic absorption？

• 寄生吸收（parasitic absorption）是指在太阳能电池中，光被吸收但不产生有用的电子-空穴对的现象，从而导致光学和电学效率的损失。这种现象会减少电池的光电转换效率，因为它消耗了本可以用于产生电流的光能。导致寄生吸收的原因主要包括：

1. 死层（Dead Layers）：在一些传统太阳能电池的前表面，由于重掺杂引起的缺陷和俄歇复合，导致该区域内的载流子扩散长度受到限制，生成的载流子被认为是“死”的或无效的。
2. 自由载流子吸收（Free-Carrier Absorption, FCA）：在长波长范围内，材料内部的自由载流子可以吸收光子，这个过程不会产生有用的电子-空穴对，而是将光能转化为热能。
3. 背表面反射率非均一性：如果电池的背表面反射率不是100%，那么通过电池背面进入的光可能不会被有效利用，导致寄生吸收。
4. 多晶硅层的吸收：在poly-Si/SiOx接触结构中，尤其是当这些膜层放置在太阳能电池的前表面或双面电池的背面时，由于多晶硅层的光学吸收特性，可能会引起显著的寄生吸收。
5. 材料特性：多晶硅的晶态、晶粒尺寸和掺杂水平都会影响其吸收系数，从而影响寄生吸收的程度。
6. 沉积方法和参数：不同的沉积技术（如LPCVD、PECVD、PVD）以及沉积参数会影响多晶硅薄膜的晶态、晶粒尺寸和载流子浓度，进而影响其光学和电学性能。
7. 接触面积：接触区域的大小也会影响寄生吸收的程度，较大的接触面积可能会导致更多的光被吸收而无法贡献电流。

poly-Si的光学性质

1. 吸收系数：Poly-Si的吸收系数对其在太阳能电池中的性能至关重要。在300 nm至700 nm的波长范围内，Poly-Si展现出略高于单晶硅（c-Si）但低于非晶硅（a-Si:H）的吸收系数。当波长超过900 nm时，Poly-Si的吸收系数高于c-Si，这不仅包括带对带吸收，还包括寄生自由载流子吸收（FCA）。
2. 晶化率影响：300-700nm波段，晶化率越高对应吸收系数越低，a-Si:H吸收系数最高。poly-Si晶化率越高，相应短波段吸收系数越低。

• LPCVD沉积的poly-Si晶化率较高（~80%）相比PECVD方式poly-Si吸收系数要低些。
• 对于长波段800nm以上波长，poly-Si的掺杂量对长波段吸收系数影响较大，掺杂浓度越大，吸收系数越高。
• 模拟数据结果，poly-Si用于晶硅前表面时，每增加10nm厚度poly-Si，电流密度降低~0.5
• 用于背表面，150nm厚度p poly-Si掺杂浓度 会导致电流密度损失~ 对应效率影响0.1-0.2%abs；n poly-Si一般引起电流密度损失

不同成膜方式PVD vs LPCVD vs PECVD对应poly-Si的晶化率、晶粒尺寸、膜层致密性有差异，对应吸收系数会有不同，一般

• 晶粒尺寸 LPCVD >PECVD > PVD
• 晶化率 LPCVD > PECVD > PVD
• LPCVD的关键参数是温度
• PVD的关键参数是腔体压力
• PECVD影响因素较复杂

poly-Si膜层寄生吸収的主要影响因素是膜层的厚度和面积

• 晶化率影响短波300-700nm范围吸收系数
• 掺杂浓度影响长波段800-1200nm范围吸收吸收

降低膜层寄生吸収的方法

• poly-Si膜厚减薄 vs 局部减薄
• 增加透明导电膜作为缓冲层
• poly-Si掺杂优化，掺C、O、N等
• 激光减薄
• 钝化层优化，减少界面态及寄生吸收
• 光路管理

2.1 poly-Si膜层减薄

• 降低poly-Si膜厚可以大幅改善寄生吸收问题
• poly-Si厚度需要兼顾考虑钝化及金属化接触性能及横向电阻率，现阶段一般需要~100nm左右poly-Si才能保证金属化过程浆料不烧穿。需要浆料配合改善
• LECO技术为烧结降温打开了空间，背面浆料开发配合薄poly-Si优化
• 等离子体刻蚀技术RIE（Plasma Reactive Ion Etching）用于局部减薄poly-Si，可实现前表面poly finger。

• poly-Si膜厚由200nm经RIE处理逐步值60nm时，iVoc无明显变化；膜厚低于60nm以下时，iVoc急剧下降。表明对于钝化性能，poly-Si有个临界膜厚，超过临界厚度之后钝化性能达到饱和状态。

2.2 增加透明导电层作为缓冲膜

• TCO的优点：
• 良好的横向电阻率
• 低吸收系数
• 优异的热稳定性
• 有研究表明，15nm厚度的poly-Si/SiOx可实现较好的钝化效果 iVoc~720 mV，叠加TCO膜层之后，寄生吸収可大幅降低
• TCO膜层一般用溅射方式成膜sputtering，可能会对poly-Si膜层造成损伤，溅射损伤可通过氢化步骤修复
• 常见TCO有ITO氧化铟锡、AZO氧化锌铝、IZO氧化铟锌等

2.3 poly-Si/SiOx结构中引入其他轻量元素C、O、N

PECVD沉积的掺杂多晶硅(Poly-Si)材料的光学特性，寄生吸收电流密度()和光学带隙()随不同工艺参数的变化情况,在poly-Si中掺杂轻元素（如氮、氧、碳），可以调节材料的光学和电学性质，从而减少寄生吸收并优化电池性能。

• 是指由于寄生吸收而损失的电流密度。在太阳能电池中，希望这个值尽可能低，以减少由于寄生吸收导致的光电效率损失。
• 是材料的光学带隙，它决定了材料对不同波长光的吸收能力。光学带隙越大，材料对长波长光的吸收能力越低。
• 在特定的N2O比率(~20%)或碳浓度(~7%)下，达到最小值，这表明通过精确控制掺杂元素的浓度和比例，可以有效地减少寄生吸收。

2.4 局部poly-Si/SiOx接触

• 背结设计，p-n结位于电池的背面，这有助于提高电池的双面性
• 选择性poly-Si/SiOx结构，前表面的poly-Si/SiOX接触选择性地放置在金半接触区域，以实现更好的光捕获和减少寄生吸收 ![[Pasted image 20240818190513.png]]

局域poly-Si/SiOx制备流程

PERC+POLO结构

• PE法掩膜方式制备图形化 a-Si→ 磷扩+晶化 → 正面沉积SiNx钝化减反膜 → 去边缘及背面PSG → 背面沉积 p-poly-Si → 背面钝化膜层沉积 → 金属化

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• DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2021.111297
• 文献标题：Mitigating parasitic absorption in Poly-Si contacts for TOPCon solar cells: A comprehensive review
• 关键词：poly-Si, POLO, TOPCon, 寄生吸收，局部接触